近距离煤层群开采工作面布置方式确定

2021-06-03赵玉桃郑建伟金声尧郝明明

陕西煤炭 2021年3期

刘彪,赵玉桃，郑建伟，金声尧，郝明明

(1.陕煤铜川矿业有限公司下石节煤矿，陕西铜川 727101；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013；3.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西西安 710070)

0 引言

我国多数矿区目前已经需要面对近距离煤层群条件的安全开采问题，如铜川矿区、淮南矿区、大同矿区、六盘水矿区等，近距离煤层群开采由于岩体的重复采动影响，覆岩破坏及采动裂隙发育更加剧烈[1-2]。

李淑军等[3]研究得到上覆煤层回采结束后，覆岩结构表现为上覆煤层采后单一关键层结构；重复采动时，单一关键层结构破断，上覆岩层表现为台阶下沉，顶板整体切落垮落后，工作面来压剧烈。计平等[4]通过对上下两分层工作面错距开采的矿压显现现场检测认为下分层工作面布置时合理的错距将有助于工作面压力控制。近距离煤层群开采后顶板运动规律与破坏结构的复杂程度增加，上覆煤层开采后顶板的完整性遭到破坏，下分层煤层开采过程中上覆破断的顶板将给回采应力分布带来不确定性，部分区域应力叠加、集中，给下伏回采巷道围岩稳定带来严重的威胁[5-7]。为此，以下石节煤矿222工作面为研究对象，依据近距离煤层群工作面布置原则，综合UDEC软件分析并确定222工作面的合理位置，以期为下石节煤矿下伏4-2煤工作面布置提供一定的理论支撑。

1 工程概况

下石节煤矿位于陕西黄陇侏罗系煤田焦坪矿区西南部一个独立的含煤块段，主采煤层为4-2煤层，矿井东翼为合层状态，全区可采；矿井西翼在220工作面区域分叉为上部3-2煤和下部4-2煤，如图1所示。3-2煤层可采区分布于井田中深部+950 m水平，煤厚0.98～6.29 m，平均4.18 m，属局部可采的较稳定厚煤层。4-2煤层厚度为0～34.28 m，平均煤厚10.50 m，属基本全区可采的较稳定巨厚煤层。目前上部3-2煤已临近井田边界，计划开采下部4-2煤。

图1 煤层群下分层4-2煤首采面开采剖面Fig.1 Mining profile of the first mining face of 4-2 coal seam in lower layer of coal seam group

综合分析3-2煤和下部4-2煤的煤层赋存条件，结合浅部220、2301、2302、2303工作面回采情况以及相互空间位置特征，如图2所示，可将煤层群下分层4-2煤开采特征分为一侧采空煤体条件下(首采面222工作面)、两侧采空煤体条件下2种情况(4-2煤后续工作面224、226工作面)。下石节煤矿煤层群开采下分层首采工作面开采特征为一侧采空煤体条件下，如图3所示。首采面222工作面两顺槽合理位置设计将受到顶板上方采空区、上方工作面遗留煤柱以及邻近已封闭220工作面回采状况的综合影响，主要针对首采面开采特征研究其合理布置方式。

图2 煤层群下分层4-2煤工作面分布Fig.2 Layout of 4-2 coal face in lower layer of coal seam group

图3 煤层群下分层4-2煤首采面开采特征Fig.3 Mining characteristics of the first mining face of 4-2 coal seam in lower layer of coal seam group

2 222工作面布置原则及分析

2.1 222工作面布置原则

煤层群采用由上向下的次序开采时，上覆煤层工作面布置方式的差异会直接影响下伏煤层工作面布置方式。222工作面上覆3-2煤工作面间煤柱的留设决定了222工作面两巷应力集中分布状况，处于塑性状态的煤柱，其弹性区的宽度将会非常小，同时其承载能力降低，相应煤柱在底板煤岩层中的影响范围和程度也会降低，此种应力分布结果对下伏煤层工作面巷道布置带来积极影响[8]。

2.2 222工作面布置分析

2.2.1 内错式布置

一般来说，近距离煤层开采受到破损围岩及二次扰动的影响，巷道帮顶较为破碎，支护难度大[9]。因此，针对上覆煤层布置形式，分析煤柱下方应力分布规律，下伏煤层工作面两巷布置应避开煤柱应力集中区域；针对围岩条件与巷道赋存特征，选择符合实际的支护材料和支护技术，提高围岩稳定性；科学论证矿井地质和技术情况，确定支护参数，降低巷道围岩变形量。

其中上覆煤层煤柱残留应力的影响较为关键，应优先考虑残留煤柱应力集中区域对下分层回采巷道的布置形式带来的影响。根据下石节煤矿煤层赋存特征，回采巷道的布置方式主要有内错式布置、外错式布置、重叠式布置。综合下石节煤矿上覆3-2煤残留煤柱的分布特征和煤柱(体)底板岩层应力分布规律，确定下石节煤矿近距离煤层222工作面选择采用内错式布置，以避免回采巷道位于上煤层煤柱应力集中区内。

2.2.2 内错距离计算

下伏煤层222工作面为4-2煤层的首采面，222工作面受3-2煤2301工作面采空区、220工作面已采区域重复采动的影响，3-2煤2301工作面为已开采采空区，距3-2煤底板距离为10.5 m，4-2煤层厚11.60 m。

根据对下石节煤矿3-2煤、4-2煤地质条件下，底板岩层应力传递规律的研究结果分析[10-12]，一侧采空条件下其垂直应力传递影响角为32°,根据公式(1)，并代入相关的数值可得一侧采空条件回采巷道合理错距的大小。

L=μh×tanθ

(1)

式中，L为水平错距大小，m；μ为安全系数，取1.4；h为近距离煤层层间距离，m；θ为应力传递影响角，(°)。计算得即L=10 m。故依此选取222工作面回采巷道布置的内错距离应不小于10 m。

3 222工作面布置数值模拟分析

采用UDEC依据下石节煤矿220工作面、2301工作面、2302工作面区间范围内不同的地质开采条件下，对煤柱(体)下底板岩层应力分布与变形特征、回采巷道布置方式进行研究。

3.1 分布与变形的特征

为了分析研究下石节煤矿222工作面分布的特征，即在2301工作面采空区下方，邻近220工作面未开采区域围岩垂直应力、水平应力分布特征，运用数值模拟进行计算，结果如图4所示。

图4 一侧采空煤体下倾向底板岩层垂直应力分布Fig.4 Vertical stress distribution of inclined floor strata under one side goaf

由图4可知，一侧采空煤体下，垂直应力峰值等值线位于2301工作面侧向煤体里，峰值位置在不同层位距离煤壁边缘距离范围为5～8 m，大小为30 MPa，峰值应力系数为1.97，垂直应力峰值等值线呈水平“U”字型。随着其继续向煤壁深处延伸，在距离煤壁边缘14 m范围内，其垂直应力等值线依旧呈水平“U”字型，垂直应力大小为25 MPa，应力系数为1.64。随着其继续向煤壁深处延伸，其应力等值线向顶板深处、煤壁深处、底板深处延伸，其中向顶板、底板延伸的速度较煤壁深处延伸的速度大，其应力等值线呈现出“W”型。

从图5可知，一侧采空煤体条件下，水平应力最大值出现在2301工作面煤壁边缘顶底角位置处，并沿着顶底角方向向一侧采空残留煤体深部延伸，且水平应力大小逐渐降低，最大水平应力大小为18 MPa。220工作面所处区域基本未受2301工作面采动水平应力的影响。在2301工作面采空区下方，靠一侧采空煤体侧距煤壁边缘1.4～23.5 m，距3-2煤底板6～13 m区域范围内，其水平应力出现降低区，此区域水平应力大小为0～2 MPa。在2301工作面采空区正下方，靠近2301工作面采空区深部，距煤壁边缘4.24～27.7 m，距3-2煤底板9.2～14.5 m区域范围内，出现水平应力增加区，此区域水平应力大小为8～12 MPa。

图5 一侧采空煤体下倾向底板岩层水平应力分布Fig.5 Horizontal stress distribution of inclined floor strata under one side goaf

3.2 回采巷道布置方式

运用UDEC数值模拟分别计算下石节煤矿4-2煤222工作面回采巷道外错10 m、5 m、2 m、垂直式、内错2 m、5 m、10 m、15 m、20 m、25 m下回采巷道应力变形特征，以确定合理的空间位置。4-2煤222工作面回采巷道顶底板竖向位移在不同空间错距下的变形曲线，如图6所示。

由图6(a)可知，在采用外错式5 m、2 m以及内错2 m布置时，巷道底板会形成一定程度的底鼓变形，在采用内错5 m以上布置时，其底板竖向变形为0。由图6(b)可知，在采用外错式布置时，顶板竖向位移较大，垂直式布置竖向位移相对降低，随着进一步的内错，回采巷道顶板竖向位移进一步减少，在内错距离大于等于10 m时，222工作面回采巷道顶板竖向位移为0。